JPH0472190B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、半導体基板上に振動可能な梁を形
成した梁構造体を有する半導体装置に関する。

この種の梁構造体を有する半導体装置は、基本
的に、半導体基板上に一端または両端が支持さ
れ、振動部位が該基板面にほぼ平行で、その振動
部位に一体的に電極層を含んだ可動梁と、この可
動梁に対向して上記半導体基板面に設けられ、上
記電極層とともにコンデンサを形成する固定電極
層とを備える。

この種の半導体装置について、先に本発明者等
は、第１図に示す構造のものを開発し試作した。

第１図に示した梁構造体を有する半導体装置の
先行例について、その製造工程順に説明する。こ
の装置はＮ型（100）Si基板１を用いたもので、
まず基板１の所定位置にＰ型不純物を高濃度に埋
め込んだP⁺層２を形成し、次に基板１の全面に
エピタキシヤル成長によりＮ型（100）Si層３を
形成し、次に該エピタキシヤル層３の上面に熱酸
化SiO₂膜４をコーテイングし、次にP⁺層２に達
するコンタクト孔７をエツチングにより窄設し、
次に基板１の表面側全面にAuを蒸着した後、不
必要な部分のAuをエツチングにより除去し、所
定パターンのAu電極配線５を形成し、次に可動
梁６の形成部分の周囲のSiO₂膜４をエツチング
により除去する。その後、可動梁６となるべき部
分の周囲および直下に位置するＮ型（100）Siエ
ピタキシヤル層３をエツチングで除去し、堀込部
８を形成することにより、SiO₂膜４とAu電極５
の２層構造からなる可動梁６を片持ち状態で残置
形成する。

上部堀込部８の形成について詳述する。Ｎ型
（100）Siエピタキシヤル層３のエツチングには顕
著な異方性を示すアルカリエツチング液（例えば
エチレンジアミン＋ピロカテコール＋水の混合
液）によつて行なわれる。エピタキシヤル層３が
エツチングされて可動梁６が形成されるようすを
第２図に示している。

第２図は可動梁６およびその周辺部分の平面図
である。第２図のように、可動梁６となるべき部
分の周囲にはコ字形にSiO₂膜４を除去してなる
エツチング窓部が形成されている。このコ字形エ
ツチング窓部の各辺は＜110＞方向でできている。
また深さ方向に関しては、エツチングがP⁺埋込
層２に達すると深さ方向のエツチングスピードが
極端に遅くなり、P⁺埋込層２はエツチングスト
ツパとして作用する。また＜110＞方向の辺に沿
つたエツチング側面は（111）面となり、エツチ
ングスピードが遅くなる。エツチングがある程度
進行すると、可動梁６の先端に（100）面が表れ、
（100）面のエツチングスピードが（111）面の約
30倍と大きく、そのため可動梁６の直下のエピタ
キシヤル層３は可動梁６の先端部から矢印Ａ方向
にエツチングされて行き、可動梁６の直下まで完
全に空洞化した堀込部８が形成され、その結果と
して片持状の可動梁６が完成する。

しかしながら、上述した半導体装置の先行例に
あつては、固定電極層をエツチングストツパとし
ても働くP⁺埋込層２で形成し、エピタキシヤル
層３を異方性のアルカリエツチング液によつてエ
ツチングして堀込部８を形成し、可動梁６を残置
する形で形成するものであるため、次のような問
題点を生ずる。

まず第１に、エピタキシヤル層が必要であるた
め、製造コストが高くなる。また、Si基板が
（100）面に限定され、しかも可動梁を作るエツチ
ング窓のパターンの各辺を＜110＞方向に正確に
合せる必要があるため、ウエハに±0.5度という
高い精度で基準片（オリエンテーシヨンフラツ
ト）を設けなければならず、製造が面倒である。
更に、第２図で詳細に説明したように、可動梁６
の直下部分のエピタキシヤル層３は可動梁６の先
端方向からのみエツチングされないため、アルカ
リエツチング液が（100）面に対して30μｍ／時
のエツチングレートをもつていても、例えば
300μｍの長さの可動梁を作るのに約10時間とい
う長時間を要する。このため、アルカリエツチン
グ液に対して0.1〜0.2μｍ／時のエツチングレー
トを持つ安価なAl膜を電極材料として使用でき
ず、先に説明したようにAuを電極材料として使
用しなければならず、この点でも装置をコスト高
にしてしまう。

この発明は上述した従来の問題点に鑑みなされ
たものであり、その目的は、半導体基板としてSi
（100）基板に限定されず、エピタキシヤル層が必
要なく、エツチングの異方性に合せた超高精度な
位置合せが不必要で、可動梁の形成のためのエツ
チング時間が短く、電極材料として安価なAl等
も使用でき、より合理的なプロセスで製造するこ
とのできる梁構造体を有する半導体装置を提供す
ることにある。

上記の目的を達成するために、この発明は、固
定電極層を形成した半導体基板の表面を耐アルカ
リエツチ性の絶縁膜で被覆するとともに、この絶
縁膜上の所定位置にアルカリエツチ性のポリシリ
コンからなる支持台を形成し、この支持台の上面
にＰ型不純物を高濃度に添加した耐アルカリエツ
チ性のポリシリコンからなる可動梁が一体的に支
持されるように構成したことを特徴とする。

以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

第３図はこの発明を適用した梁構造体を有する
半導体装置の製造工程を示す図であり、第４図は
第３図の製造工程を経て完成したこの発明に係る
半導体装置を示している。以下この半導体装置に
ついて各工程(A)〜(H)に従つて順番に説明する。

(A)…まず、例えば抵抗率５〜8ΩcmのＮ型Si基板
１１を用意し、その表面を酸化し、例えば5000
Å程度の熱酸化SiO₂膜１２を全面に形成し、
上述した固定電極層を形成すべき領域のSiO₂
膜１２をエツチングにより除去し、その除去部
分に1000Å程度の熱酸化SiO₂膜を形成すると
ともに、その部分のSi基板１１表面にイオン注
入法によりボロンを注入し、薄いＰ型層１３を
作る。

(B)…次に上述した熱酸化SiO₂膜をフツ酸により
除去した後、再度表面を酸化して、例えば5000
Å程度の熱酸化SiO₂膜により絶縁膜１２ｂを
形成する。その後に、例えば減圧CVD法によ
りSiH₄を約620℃で熱分解し、例えば３〜5μｍ
の不純物を含まないポリシリコン層１４を形成
する。この工程の酸化時の熱処理によつて、上
記薄いＰ型層１３は1μｍ以上の深さを持つた
Ｐ型層１３ｂとなる。

(C)…次に、例えばイオン注入法によつてボロンを
加速電圧60KeVで５×10¹⁶個／cm²程度注入し
て、1000℃で１時間程度熱処理することによ
り、上記ポリシリコン層１４の表面に１×10²⁰
個／cm³以上のＰ型高濃度ポリシリコン層１５を
0.5μｍ程度の厚みに形成する。

(D)…次に、エツチングにより可動梁形成領域以外
の部分のポリシリコン層１４およびその表面の
Ｐ型高濃度ポリシリコン層１５を除去する。Ｄ
図に示す例では、２回のフオトエツチングを行
ない、ポリシリコン層１４の外周部に２段に段
差を付けている。

(E)…次に、全表面にAlを例えば1.5μｍの厚みに蒸
着した後、フオトエツチングにより不要部分の
Alを除去し、可動梁に繋がるAl配線１６と固
定電極層であるＰ型層１３ｂに繋がるAl配線
１７を形成する。Ｄ図のようにポリシリコン層
１４の周囲に２段に段差を付けた理由は、上記
Al配線１６の断線を防ぐためである。

(F)…次に、全表面に例えばCVD法によりSiH₄を
約400℃で低温酸化し、その際に隣を含有させ
て例えば厚さ1.5μｍのPSG膜１８をデポジシヨ
ンした後、フオトエツチングによつてボンデイ
ングパツドおよび可動梁領域上のPSG膜１８
の膜厚を3000〜5000Å程度に薄くする。

(G)…上記PSG膜１８を更にフオトエツチングし、
可動梁領域上のPSG膜を完全に除去する。こ
のとき、可動梁の支持端側に薄いPSG膜１９
を残す。

(H)…次に、強アルカリ水溶液（例えばエチレンジ
アミン＋ピロカテコール＋水の混合液）をエツ
チング液として全体をエツチングする。する
と、Siのエツチング速度の不純物依存性によつ
て、ポリシリコン１４がエツチングされ、ボロ
ンが高濃度に入つたＰ型高濃度ポリシリコン層
１５が残り可動梁１５ｈができる。また、ポリ
シリコン層１４が全てエツチングされてしまう
訳でなく、PSG膜１８でマスクされている部
分のポリシリコン層１４が残り、この部分がＰ
型高濃度ポリシリコンからなる可動梁１５ｈの
支持台１４ｈとして残る。

最後にボンデイングパツドと可動梁１５ｈ上の
薄くなつている部分５０のPSG膜の厚み分だけ
全面のPSG膜１８をエツチングし、第４図に示
す半導体装置が完成する。

なお、可動梁１５ｈの形状は、Ｄ図の工程のフ
オトエツチングで自由に作ることができる。例え
ば、可動梁１５ｈの形状の長さ方向中央より先端
側に重心が移るようにすることもできるし、ある
いは、可動梁１５ｈの長さ方向中央に細長い穴を
開口し、Ｈ図の工程のエツチング時に上記穴から
アルカリエツチング液が浸透し、可動梁１５ｈの
直下のポリシリコン層１４のエツチング時間を短
縮するようにすることもできる。

ここで、第４図の半導体装置の応用について一
応説明する。例えば、当該装置に機械振動が加わ
り、その振動数が可動梁１５ｈの固有振動数に等
しいと、可動梁１５ｈは大きく共振し、可動梁１
５ｈとＰ型層１３ｂとの間隔が大きく変化する。
Ｐ型高濃度ポリシリコン層からなる可動梁１５ｈ
はそれ自身が電極層となつており、Ｐ型層１３ｂ
はこれに対応する固定電極層であり、両者によつ
て一つのコンデンサが形成されている。そして、
可動梁１５ｈが振動してＰ型層１３ｂとの間隔変
化が大きくなると、上記コンデンサの容量も振動
振幅に応じて大きく変化する。また当然である
が、可動梁１５ｈの固有振動数より大きく外れた
振動が加わつても該梁１５ｈは共振せず、従つて
上記コンデンサの容量変化は小さい。従つて、可
動梁１５ｈとＰ型層１３ｂとの間の容量変化を検
出する回路を設ければ、その回路の出力から可動
梁１５ｈにその固有振動数に相当する振動が加わ
つているかどうかを判定することができる。この
容量変化の検出回路は梁構造体を有する半導体装
置に一体的に集積形成することができる。

上述のように、この発明に係る半導体装置は例
えば振動分析装置として使用できるもので、具体
的な応用例の一つとして、自動車エンジンのノツ
キング検出への応用が考えられている。ノツキン
グ発生時にはエンジンから顕著に約7KHzの振動
が発生するが、上記可動梁の固有振動数を約7K
Hzにしておけば、このノツキング検出を行なうこ
とができる。約7KHzの固有振動数を持つ可動梁
は、本発明のように梁材としてポリシリコンを使
用した場合、梁の厚みを0.5μｍとすると梁の長さ
は約330μｍである。このように、微小な半導体
装置にて機械→電気変換器としての機能と周波数
弁別機能を有する装置を実現することができる。
また他の応用例としては、可動梁の水平部に垂直
に加わる加速度や遠心力による容量変化を検出す
るようにして、加速度センサや回転計へ応用する
ことも可能である。

以上詳細に説明したように、この発明に係る梁
構造体を有する半導体装置は、半導体基板表面
に、基板と半導体電形の拡散層あるいは導電性薄
膜によつて固定電極層を形成し、該半導体基板表
面に耐アルカリエツチ性の絶縁膜をコートし、こ
の絶縁膜上の所定位置にアルカリエツチ性のポリ
シリコンからなる支持台を形成し、この支持台の
上面にＰ型不純物を高濃度に添加した耐アルカリ
エツチ性のポリシリコンからなる可動梁が一体的
に支持されるように構成したものであるから、第
１図および第２図に示した先行例の半導体装置の
ようにエピタキシヤル層が不必要で、半導体基板
もSi（100）基板に限定されず、可動梁の直下およ
びその周囲がポリシリコンであり、このポリシリ
コンはアルカリエツチング液により全方向からエ
ツチングが進行することから、長さ100μｍ程度
の梁でも２時間程度のエツチングでこれを形成す
ることができる。このように短いエツチング時間
で済むことからアルカリエツチング液に対して多
少のエツチングレートを有するAlを電極材料と
して容易に使用でき、また同様な意味で安価な
PSG膜を保護膜材料として使用することができ
る。また、可動梁の形成のためにエツチングの異
方性を利用してないので、ウエハに超高精度な基
準辺を設ける必要もない。このように本発明によ
れば、より合理的なプロセスでもつて安価に梁構
造体を有する半導体装置を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は梁構造体を有する半導体装置の先行例
を示す断面図、第２図は第１図の装置における梁
形成工程を示す部分平面図、第３図はこの発明に
係る梁構造体を有する半導体装置の製造工程を示
す図、第４図は第３図の工程を経て完成された本
発明に係る半導体装置の断面図である。 １１……半導体基板、１２，１２ｂ……酸化
膜、１３，１３ｂ……固定電極層となるＰ型層、
１４……ポリシリコン層、１５……Ｐ型高濃度ポ
リシリコン層、１５ｈ……可動梁、１４ｈ……支
持台、１８……Al配線電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体基板の表面が耐アルカリエツチ性の絶
   縁膜で被覆され、この絶縁膜上の所定位置にアル
   カリエツチ性のポリシリコンからなる支持台が形
   成され、この支持台の上面にＰ型不純物を高濃度
   に添加した耐アルカリエツチ性のポリシリコンか
   らなる可動梁が一体的に支持されていることを特
   徴とする梁構造体を有する半導体装置。